CN106926233A - 一种平面机械手运动路径的规划方法 - Google Patents

Abstract

一种平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其步骤为：S1：建立机械手分析结构模型；S2：规划机械手工作时的运动路径；根据抓盒机械手运动需求，规划好机械手抓取产品并将产品装入纸箱运动路径；S3：建立机械手位移STEP函数数学模型；S4：建立机械手速度STEP函数数学模型；将得到的位移STEP函数数学模型转化为速度曲线描述，形成机械手速度STEP函数数学模型；S5：将建立的机械手三维模型进行运动学分析，得到机械手按预定路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据。本发明具有原理简单、机械手定位精准、能够防止装箱运行过程中出现抖动等优点。

Description

一种平面机械手运动路径的规划方法

技术领域

本发明主要涉及到机械手的运动控制领域，特指一种适用于装箱码垛机中装盒机械手的运动路径的规划方法。

背景技术

装箱码垛机的装盒机械手为三轴的平面机械手。控制机械手执行端的运动必须处理好机械手一节臂和二节臂伺服电机之间的联动关系，两个电机的运动精准配合运行才能实现对控制机械手执行端的轨迹控制。否则，机械手不能准确定位，在装箱过程中也会存在比较大的抖动，容易和其它机械部件发生干涉。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、机械手定位精准、能够防止装箱运行过程中出现抖动的平面机械手伺服电机运动路径的规划方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其步骤为：

S1：建立机械手分析结构模型；对机械手的结构进行分析简化，将装箱码垛机的抓盒机械手简化为由15根连杆构成的机械手结构模型；

S2：规划机械手工作时的运动路径；根据抓盒机械手运动需求，规划好机械手抓取产品并将产品装入纸箱运动路径；

S3：建立机械手位移STEP函数数学模型；将每一段路径的位移分解为X和Y两个方进行图像曲线描述；所述STEP函数为平滑阶跃性函数，通过定义每一段路径中函数的五个修饰变量，使建立的机械手模型在X和Y方向运动路径曲线保持平滑；

S4：建立机械手速度STEP函数数学模型；将得到的位移STEP函数数学模型转化为速度曲线描述，形成机械手速度STEP函数数学模型；

S5：将建立的机械手三维模型进行运动学分析，得到机械手按预定路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S1所建立的机械手结构模型中，第一连杆和第二连杆伺服电机驱动，第一连杆与第二连杆之间的连杆为固定不动的机架；第二连杆、第三连杆、第七连杆与机架构成平行四边形；第四连杆、第五连杆、第八连杆与第九连杆构成平行四边形；第三连杆与第四连杆为固定的90°关系，第五连杆与第六连杆也为固定的90°关系；其它连杆之间均为铰链连接关系。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S5的具体流程为：

S501：定义好机械手相关约束关系后，修改机械手初始位置参数，建立机械手驱动模块；将速度控制STEP数学函数模型，添加到机械手驱动模块中；定义运动仿真的参数，以及机械手各个自由度的约束关系后启动仿真；

S502：在得到的仿真结果中测量第一连杆和第二连杆与垂直方向的角度值曲线，这两条曲线即机械手在按路径运行时，一节臂和二节臂伺服电机的运行角度走势曲线；

S503：将得到的一节臂和二节臂伺服电机的运行角度曲线数据进行数学处理；对角度曲线在X和Y方向分别进行数学移动，实现曲线的起点纵坐标和横坐标都为0；求出最大运行角度，即找到平移曲线后的最大纵坐标值；将横坐标的时间点替换为0到2048的等差序列；找出曲线对应的横坐标移动量，得到伺服电机跟随曲线运动的切入启动点；

S504：通过上述处理后，得到机械手按路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据，按照该曲线数据对机械手一节臂和二节臂伺服电机的联动控制。

作为本发明的进一步改进：所述机械手工作时的运动路径包括机械手的原点位置、机械手抓取产品动作路径、抓取产品后平移路径、放产品路径。

作为本发明的进一步改进：所述机械手抓取产品动作路径、抓取产品后平移路径、放产品路径中均包含圆角轨迹。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，原理简单、操作简便，能够得到伺服电机角度曲线对机械手进行定位控制，使机械手一节臂和二节臂伺服电机联动定位精准，装箱运行过程中无抖动，运行平稳。

附图说明

图1是本发明规划方法的流程示意图。

图2是本发明所建立的机械手分析结构模型示意图。

图3是本发明在具体应用实例中预定运动路径的示意图。

图4是本发明在具体应用实例中机械手位移STEP函数数学模型示意图；即机械手分别在X和Y方向上在不同时间点的时间位移曲线。

图5是本发明在具体应用实例中机械手速度STEP函数数学模型示意图；即机械手分别在X和Y方向上在不同时间点的时间速度曲线。

图6是本发明在具体应用实例中机械手抓取产品并装箱运动路径的速度控制STEP数学函数模型示意图；即机械手分别在X和Y方向的速度控制数学模型。

图7是本发明在具体应用实例中仿真结果的示意图；即机械手一节臂和二节臂伺服电机在仿真过程中每个位置的角度值曲线。

图8是本发明在具体应用实例中机械手按预定路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线示意图；即经过数学处理后的机械手一节臂和二节臂伺服电机角度值曲线。

图例说明：

1、第一连杆；2、第二连杆；3、第三连杆；4、第四连杆；5、第五连杆；6、第六连杆；7、第七连杆；8、第八连杆；9、第九连杆。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，通过对机械手结构分析和简化，建立码垛机械手三维结构模型，并定义好相关部件之间的约束关系。根据机械手运动需求规划好机械手运动路径，将机械手运动轨迹划分抓取产品动作路径，抓取产品后平移路径，和放产品路径。并把每一段路径的位移分为X和Y两个方向进行图像曲线描述，然后建立STEP函数数学模型。为了方便对每一段路径的加速度、减速度、最大运行速度等运动参数进行调节控制，还需将得到的位移STEP函数数学模型转化为速度STEP函数数学模型。修改机械手初始位置参数，将描述机械手抓取产品并装箱运动路径的速度控制数学函数模型添加到三维机械手结构模型中。定义好仿真参数后启动仿真。对仿真结果进行测量，得到机械手一节臂和二节臂伺服电机在抓取产品并装箱的运行过程中每个位置的角度值曲线，并将两个电机的角度值曲线导出，得到2048个数据点。对得到的电机的角度值曲线数据进行处理，对曲线在X和Y方向分别进行数学移动和缩放，求出机械手伺服电机最大运行角度以及跟随曲线运动的切入点等控制数据。将处理后的机械手一节臂和二节臂伺服电机角度曲线数据下载到伺服电机运动控制器中。通过对伺服电机进行后续编程即可完成对机械手一节臂和二节臂伺服电机的联动控制。

如图1所示，本发明的具体步骤为：

S1：建立机械手分析结构模型；

对机械手的结构进行分析简化，装箱码垛机的抓盒机械手可简化为由15根连杆构成的机械手结构模型，如图2所示。

图中第一连杆1和第二连杆2伺服电机驱动，第一连杆1与第二连杆2之间的连杆表示固定不动的机架。第二连杆2、第三连杆3、第七连杆7与机架构成平行四边形；第四连杆4、第五连杆5、第八连杆8与第九连杆9构成平行四边形；第三连杆3与第四连杆4为固定的90°关系，第五连杆5与第六连杆6也为固定的90°关系；这样，就可以使机械手整个运行过程中第六连杆6都保持垂直状态，即机械手抓取产品后在运行过程中产品不会发生倾斜。机械手其它连杆之间均为铰链连接关系。

S2：规划机械手工作时的运动路径；

根据抓盒机械手运动需求，规划好机械手抓取产品并将产品装入纸箱运动路径，如图3所示。图中实线条表示机械手运动轨迹。位置点C为机械手的原点位置，即运动的初始位置。位置点A,B,C构成机械手抓取产品动作路径，位置点C和D构成抓取产品后平移路径，位置点D和E构成放产品路径。在实际控制过程中，位置点B,C,D处均处理为圆角轨迹，这样可以有效降低运行过程中的机械冲击。

S3：建立机械手位移STEP函数数学模型；

分别对位置点A,B,C构成的机械手抓取产品动作路径，位置点C和D构成的抓取产品后平移路径，位置点D和E构成的放产品路径进行曲线和数学描述。将每一段路径的位移分解为X和Y两个方进行图像曲线描述，如图4所示，曲线的纵坐标单位为毫米（mm），横坐标单位为秒（s）。然后再用STEP函数建立如图4所示曲线的机械手运动路径数学模型。STEP函数为平滑阶跃性函数，通过定义每一段路径中函数的五个修饰变量，使建立的机械手模型在X和Y方向运动路径曲线保持平滑，避免曲线出现尖角和抖动，从而确保抓盒机械手在运行过程中平稳运行。

S4：建立机械手速度STEP函数数学模型；

为了方便对机械手运动轨迹数学模型每一段路径的加速度、减速度、最大运行速度等进行调节控制，还需将得到的位移STEP函数数学模型转化为速度曲线描述，如图5所示，曲线的纵坐标单位为毫米/秒（mm/s），横坐标单位为秒（s）。然后根据图5所示机械手速度曲线描述，建立机械手在X和Y方向速度控制STEP函数数学模型，如图5所示。同样对该数学模型中的参数进行优化，调节模型的加减时间和最大速度等数据，再次降低了机械手运行过程中的加减速冲击，提高机械手运行过程的可控性。

S5：将建立的机械手三维模型进行运动学分析，得到机械手按预定路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据；

定义好机械手相关约束关系后，修改机械手初始位置参数，建立机械手驱动模块。将图6所示的描述机械手抓取产品并装箱运动路径的速度控制STEP数学函数模型，添加到机械手驱动模块中。定义运动仿真的参数，以及机械手各个自由度的约束关系后启动仿真。

在得到的仿真结果中测量图1中第一连杆1和第二连杆2与垂直方向的角度值曲线，这两条曲线都由2048个数据点构成，分别表示第一连杆1和第二连杆2在仿真过程中与垂直方向的角度值，纵坐标单位为度，横坐标单位是秒，如图7所示。这两条曲线即机械手在按图3所示路径运行时，一节臂和二节臂伺服电机的运行角度走势曲线。

将得到的一节臂和二节臂伺服电机的运行角度曲线数据进行数学处理。对角度曲线在X和Y方向分别进行数学移动，实现曲线的起点纵坐标和横坐标都为0。求出最大运行角度，即找到平移曲线后的最大纵坐标值。将横坐标的时间点替换为0到2048的等差序列。找出曲线对应的横坐标移动量，得到伺服电机跟随曲线运动的切入启动点。为了满足程序控制要求，还需对角度曲线纵坐标进行缩放，将最大变化角度值缩放为32767。

通过上述处理后，可得到机械手按图2所示路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据，曲线如图8所示。将图8所示伺服电机角度曲线数据下载到伺服电机运动控制器，通过对伺服电机进行后续编程即可完成对机械手一节臂和二节臂伺服电机的联动控制，确保机械手抓取产品并装箱的运行过程平稳精准，冲击性小。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其特征在于，步骤为：

S1：建立机械手分析结构模型；对机械手的结构进行分析简化，将装箱码垛机的抓盒机械手简化为由15根连杆构成的机械手结构模型；

S2：规划机械手工作时的运动路径；根据抓盒机械手运动需求，规划好机械手抓取产品并将产品装入纸箱运动路径；

S3：建立机械手位移STEP函数数学模型；将每一段路径的位移分解为X和Y两个方进行图像曲线描述；所述STEP函数为平滑阶跃性函数，通过定义每一段路径中函数的五个修饰变量，使建立的机械手模型在X和Y方向运动路径曲线保持平滑；

S4：建立机械手速度STEP函数数学模型；将得到的位移STEP函数数学模型转化为速度曲线描述，形成机械手速度STEP函数数学模型；

S5：将建立的机械手三维模型进行运动学分析，得到机械手按预定路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据。

2.根据权利要求1所述的平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其特征在于，所述步骤S1所建立的机械手结构模型中，第一连杆和第二连杆伺服电机驱动，第一连杆与第二连杆之间的连杆为固定不动的机架；第二连杆、第三连杆、第七连杆与机架构成平行四边形；第四连杆、第五连杆、第八连杆与第九连杆构成平行四边形；第三连杆与第四连杆为固定的90°关系，第五连杆与第六连杆也为固定的90°关系；其它连杆之间均为铰链连接关系。

3.根据权利要求2所述的平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其特征在于，所述步骤S5的具体流程为：

S501：定义好机械手相关约束关系后，修改机械手初始位置参数，建立机械手驱动模块；将速度控制STEP数学函数模型，添加到机械手驱动模块中；定义运动仿真的参数，以及机械手各个自由度的约束关系后启动仿真；

S502：在得到的仿真结果中测量第一连杆和第二连杆与垂直方向的角度值曲线，这两条曲线即机械手在按路径运行时，一节臂和二节臂伺服电机的运行角度走势曲线；

S503：将得到的一节臂和二节臂伺服电机的运行角度曲线数据进行数学处理；对角度曲线在X和Y方向分别进行数学移动，实现曲线的起点纵坐标和横坐标都为0；求出最大运行角度，即找到平移曲线后的最大纵坐标值；将横坐标的时间点替换为0到2048的等差序列；找出曲线对应的横坐标移动量，得到伺服电机跟随曲线运动的切入启动点；

S504：通过上述处理后，得到机械手按路径运行时一节臂和二节臂伺服电机的角度控制曲线数据，按照该曲线数据对机械手一节臂和二节臂伺服电机的联动控制。

4.根据权利要求1或2或3所述的平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其特征在于，所述机械手工作时的运动路径包括机械手的原点位置、机械手抓取产品动作路径、抓取产品后平移路径、放产品路径。

5.根据权利要求4所述的平面机械手伺服电机运动路径的规划方法，其特征在于，所述机械手抓取产品动作路径、抓取产品后平移路径、放产品路径中均包含圆角轨迹。